具备直流故障穿越能力的混合子模块式MMC换流器制造技术

本发明专利技术涉及一种具备直流故障穿越能力的混合子模块式MMC换流器。该混合子模块式MMC拓扑与半桥MMC类似，仍为三相六桥臂结构，但单个桥臂由m个半桥式子模块(HBSM)，n个全桥式子模块(FBSM)以及l个钳位双子模块(CDSM)依次级联而成；结合FBSM的高直流电压利用率、FBSM和CDSM共有的直流故障电流自清除以及HBSM的经济性优势，根据实际需求，对m、n以及l的数目进行优化选取，可以使该换流器应用于柔性直流输电系统，特别是对系统直流故障时投运率要求较高的场合，使其在具备直流故障穿越能力的同时，还能提升系统容量，节约经济成本。

【技术实现步骤摘要】
具备直流故障穿越能力的混合子模块式MMC换流器
本专利技术涉及电力系统柔性直流输配电、电力电子和用户电力
，具体将涉及一种具备直流故障穿越能力的柔性直流输电MMC换流阀拓扑。
技术介绍
直流短路故障是MMC-HVDC系统最为常见的一种故障，传统基于半桥式子模块的MMC换流器在直流双极短路故障时无法通过闭锁子模块IGBT来切断交流系统向直流短路点的馈能回路，必须快速跳开交流断路器或直流隔离开关以清除故障电流，这不仅增加了系统成本，提高了对设备的技术要求，同时也降低了系统投运率，减慢了故障恢复速度。目前工程上大多采用制造难度大、成本高的直流电缆敷设线路以降低直流故障发生率，但并不能从根本解决半桥式MMC换流器对直流故障的处理失效问题。鉴于此，通过换流器自身控制实现故障电流自清除成为一种最经济有效的方法，也使得寻找具有直流故障穿越能力的换流器拓扑成为研究趋势。目前能够穿越直流故障的换流器拓扑有两大类，一类是基于IGBT串联开关与全桥子模块混联的混合式换流器拓扑，一类是由新型子模块拓扑，如全桥子模块或钳位双子模块级联的模块化多电平换流器拓扑。前者结构复杂，控制难度高，不利于工程实施。后者中全桥子模块式MMC除直流故障穿越能力外，还因子模块负电压特性能提高直流电压利用率，从而提升系统容量；钳位双子模块式MMC则具有较全桥子模块更少的器件数，经济性更高，但相比于半桥式MMC仍处于劣势。因此，非常有必要寻找一类优化的MMC拓扑，使其兼具直流故障穿越功能、高容量与低成本等优势。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种新型的混合子模块式MMC换流器拓扑，其通过闭锁换流器在具有直流故障穿越能力的同时，还能满足系统高容量和低成本的要求。为实现上述目的，本专利技术的方案包括：具备直流故障穿越能力的混合子模块式MMC换流器，包括三相共六个桥臂，每个桥臂均由m个半桥式子模块(HBSM)，n个全桥式子模块(FBSM)以及l个钳位双子模块(CDSM)级联构成。在已知的系统有功功率P、无功功率Q、总容量S、直流电压Udc以及受器件电流应力限制的桥臂电流Iarm等条件的约束下，计算电网相电压峰值(换算到阀侧)Um＝S·Udc/(3Iarm·Udc-P)，并由此计算P、Q全额输出时系统满载调制度k；当k≤1时，全桥子模块数配置为n＝0；当k>1时，全桥子模块数n＝(k-1)·Udc/2/Uc，其中Uc为子模块电容额定电压；考虑系统过载能力及电网电压波动范围。m＝Udc/Uc-2l。结合FBSM的高直流电压利用率、FBSM和CDSM共有的直流故障电流自清除以及HBSM的经济性优势，根据实际需求，对m、n以及l的数目进行优化选取，可以使该换流器应用于柔性直流输电系统，特别是对系统直流故障时投运率要求较高的场合，使其在具备直流故障穿越能力的同时，还能提升系统容量，节约经济成本。附图说明图1为混合子模块式MMC换流器及其子模块拓扑示意图；图2(a)、(b)、(c)分别为半桥子模块、全桥子模块、钳位双子模块在直流故障电流下闭锁时的等效电路(箭头表示电流流向，粗线条表示电流路径)；图3(a)、(b)为桥臂电压与直流电压关系图；图4为直流双极短路故障电流回路示意图；图5为直流双极短路故障仿真波形；图6为混合子模块式MMC与半桥子模块式MMC仿真对比图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步详细的说明。为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术作进一步详细说明。混合子模块式MMC换流器及其子模块拓扑示意如图1所示。换流器采用与半桥子模块式MMC相同的结构，仍为三相六桥臂结构，但单个桥臂包括m个半桥式子模块，n个全桥式子模块以及l个钳位双子模块。如图1中子模块拓扑所示，半桥式子模块由两个IGBT/Diode组件和一个电容器构成，全桥式子模块由四个IGBT/Diode组件和一个电容器构成，钳位双子模块由4个IGBT/Diode组件、1个引导IGBT/Diode组件、2个二极管与两个电容器构成。通过控制IGBT/Diode组件的开断，同时控制钳位双子模块引导IGBT/Diode组件始终导通，半桥子模块、全桥子模块以及钳位双子模块分别可以输出Uc和0两种电压，Uc、0和-Uc三种电压，以及2Uc、Uc和0三种电压。因此一个钳位双子模块运行时可以等效为两个半桥子模块级联，但较两个半桥子模块多使用了2个二极管和1个引导IGBT/Diode组件，成本较高。全桥子模块式MMC因为子模块负电压特性，交直流电压调制比可高于1，相对于同等直流电压等级的半桥子模块式MMC和钳位双子模块式MMC，可以通过提高交流电压来提升输送容量。图2分别给出了三种子模块在直流故障电流下闭锁时的等效电路。由图可知，全桥子模块和钳位双子模块均能在故障电流回路提供Uc的反电势，抑制故障电流至零，从而使两类子模块拓扑所构成的换流器均具有直流故障穿越能力。因此，通过合理配置桥臂内m个半桥子模块、n个全桥子模块和l个钳位双子模块，可以使换流器在具有直流故障穿越能力的同时，还能提升系统容量，降低成本。具体子模块数目配置方法分为以下4步：1，确定全桥子模块数n。在已知的系统有功功率P、无功功率Q、总容量S、直流电压Udc以及受器件电流应力限制的桥臂电流Iarm等条件的约束下，计算电网相电压峰值(换算到阀侧)Um＝S·Udc/(3Iarm·Udc-P)，并由此计算P、Q全额输出时系统满载调制度k；当k≤1时，全桥子模块数配置为n＝0，如图3(a)中所示桥臂电压恒为正，无需全桥子模块；当k>1时，全桥子模块数n＝(k-1)·Udc/2/Uc，以保证图3(b)中阴影部分所示为负部分的桥臂电压输出；考虑系统过载能力及电网电压波动范围，对n值取适度裕量后应尽可能小。2，确定钳位双子模块数l。如图4所示直流双极短路故障电流回路，只有当2(n+l)≥3Um时，两个桥臂子模块产生的反电势才能将交流系统向故障点馈送的故障电流抑制为零，实现直流故障穿越，因此，选取在考虑适量裕度后l取值尽可能小，以减小IGBT器件的使用。3，确定半桥子模块数m。如图3所示，桥臂电压最大为(k+1)Udc/2，由m+n+2l个电容形成，因此半桥子模块数m需满足m＝Udc/Uc-2l，相当于用m个半桥子模块代替了m/2个钳位双子模块，降低开关器件数；4，之后再对上述数目考虑适当冗余。为了验证本专利技术所述的混合子模块式MMC换流器及其子模块数目配置方法的可行性和有效性，本实施例建立了MATLABR2012bSimulink仿真环境下±160kV，100MW混合子模块式MMC仿真模型，桥臂电流Iarm设为300A，系统额定子模块电容电压为20kV，由此得到电网相电压峰值(换算到阀侧)为170kV，满载电压调制比为1.0935，因此不考虑冗余和裕量，计算半桥、全桥以及钳位双子模块数分别为2、1以及7个。图5给出了直流双极短路故障下直流电流(下方)及桥臂电流(上方)波形，可以看出换流器闭锁后约15ms直流电流降零，因此所设计的混合子模块式MMC具有可靠的直流故障穿越能力。图6给出了混合子模块式MMC换流器与具有同等直流电压等级、同等最大桥臂电流及0.85空载调制比的半桥子模块式MMC输出功率对比，可以看出本文档来自技高网...

【技术保护点】
具备直流故障穿越能力的混合子模块式MMC换流器，其特征在于，包括三相共六个桥臂，每个桥臂均由m个半桥式子模块(HBSM)，n个全桥式子模块(FBSM)以及l个钳位双子模块(CDSM)级联构成。

【技术特征摘要】
1.具备直流故障穿越能力的混合子模块式MMC换流器，其特征在于，包括三相共六个桥臂，每个桥臂均由m个半桥式子模块，n个全桥式子模块以及l个钳位双子模块级联构成；在已知的系统有功功率P、无功功率Q、总容量S、直流电压Udc以及受器件电流应力限制的桥臂电流Iarm等条件的约束下，计算电网相电压峰值Um＝S·Udc/(3Iarm·Udc-P)，并由此计算P、Q全额输出时系统满载调制度k；当k≤1时，全桥子模块数配置为n...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴金龙，杨美娟，刘欣和，张浩，李道洋，王先为，行登江，
申请(专利权)人：西安许继电力电子技术有限公司，许继电气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61